（机械工程专业论文）微机监控系统在核电站网控楼应用研究.pdf

摘要 中国国民经济的快速发展、电力需求的增大、能源问题的制约、决定了我国大力 发展核电的能源战略。计算机及网络技术的迅猛发展、电力测控技术的应用、新一代 变电站微机监控系统的卓越性能，决定了核电站网控楼采用微机监控系统的必然性。 论文首先讨论了核电站网控楼采用微机监控系统的必然性和可行性，紧接着对核 电站最为敏感的可靠性问题，尤其是网控搂微机监控系统的抗干扰问题进行了深入的 分析研究。当核电站网控楼采用微机监控系统的必然性、可行性、可靠性问题解决后， 论文不失时机地对系统的整体实现构想，功能设计，软、硬件结构设计和选择举行了 研究。其中，电磁抗干扰措施，提高系统可靠性的措施等方面的研究是论文的重点。 论文对在运核电站网控楼传统监控系统的改造，对新建核电站网控楼监控系统的 选择、设计、安装、调试，都有着重要指导意义，对其它变电站和网控楼微机监控系 统的建设和改造也有重要参考价值。 关键词：核电站网控楼微机监控系统抗干扰功能设计 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , i n c r e a s eo fe l e c t r i cp o w e r r e q u i r e m e n ta n dr e s t r i c t i o no fe n e r g yp r o b l e m ，o u rc o u n t r yh a sd e c i d e dt od e v o t em a j o r e f f o r t st od e v e l o p i n gn u c l e a rp o w e r b e c a u s ec o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi sq u i c k l y d e v e l o p i n g , m o n i t o r i n ga n d c o n t r o l t e c h n o l o g y o fe l e c t r i c p o w e ri sa p p l i e d a n dt h e p e r f o r m a n c e o f n e ws c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n d d a t a a c c e s s ) s y s t e m f o r t r a n s f o r m e r s u b s t a t i o ni sp r o m i n e n t ，i ti si n e v i t a b l ef o rg r i dc o n t r o lr o o mt oa d o p ts c a d a s y s t e m f i r s t l y , t h ea r t i c l eh a sd i s c u s s e di n e v i t a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y o na d o p t i n gs c a d a s y s t e mf o rg r i dc o n t r o lr o o m i nn u c l e a r p o w e rp l a n t s u b s e q u e n t l y , i tf t l r t h e ra n a l y z e sa n d r e s e a r c h e st h em o s ts e n s i t i v e p r o b l e m o fr e l i a b i l i t y , p a r t i c u l a r l yt h ea n t i d i s t u r b a n c e p r o b l e mo fs c a d as y s t e mf o rg r i dc o n t r o lr o o m a f t e rt h ep r o b l e m so fi n e v i t a b i l i t y , f e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya r es o l v e d ，w h i c hs c a d as y s t e mf o rg r i dc o n t r o lr o o mi n n u c l e a rp o w e r p l a n ti sa d o p t ，t h ea r t i c l er e s e a r c h e si d e ao ff u l f i l l i n gs y s t e ma saw h o l e , d e s i g no ff u n c t i o n ，c o n s t r u c t i o nd e s i g na n ds e l e c t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h ef o c a l p o i n t o fa r t i c l ei st o s t u d ym e a s u r eo fe l e c t r o m a g n e t i s ma n t i d i s t u r b a n c e ，i m p r o v i n g r e l i a b i l i t yo fs y s t e ma n ds oo n t h ea r t i c l eh a sa ni m p o r t a n tg u i d a n c em e a n i n gf o ri m p r o v i n gt r a d i t i o n a ls c a d a s y s t e mo f g r i dc o n t r o lr o o mi no p e r a t i n gn u c l e a rp o w e rs t a t i o n ，a n ds e l e c t i o n ，d e s i g n ， c o n s t r u c t i o n ，c o m m i s s i o n i n go fs c a d as y s t e mo fg r i dc o n t r o lr o o mi nn e wn u c l e a r p o w e rs t a t i o n i th a sa l s oi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rc o n s t r u c t i o na n di m p r o v e m e n to f s c a d a s y s t e mi no t h e rg r i dc o n t r o lr o o m a n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n k e y w o r d s ：n u c l e a rp o w e rp l a n t ，g r i dc o n t r o lr o o m ，s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c c e s ss y s t e m ，a n t i d i s t u r b a n c e ，d e s i g no f f u n c t i o n 1 i 郑重声 明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意 承担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：矛1 曲甚彦 2 0 0 4 年1 0 月2 8 日 武汉大学工程硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的研究背景 2 0 0 4 年，中国经济快速发展，能源的瓶颈再次出现：拉闸限电，石油大量依赖进 口，煤炭供应紧张。同时，常规化能源大量使用，使环境污染问题不断加剧，资源供 需矛盾十分突出。注重能源的可持续供应，尽快提高清洁能源的比重，引起了人们的 高度关注。在这样一个大背景下，加快推进核电建设，成为大势所趋。 从全球范围看，发展核电是大国能源战略的必然选择。当前，核电发电量占世界 总发电量的1 6 ，其中法国高达7 7 ，比利时达5 0 ，整个欧盟为3 5 ，日本为3 4 ， 美国为2 0 。然而，迄今为止，中国核电发电量所占比例不足2 。 煤炭资源对火力发电的限制、国家经济的快速发展、中国国内核燃料资源的丰富， 这些充分决定了我国大力发展核电的能源战略。 据国家权威部门消息，到2 0 2 0 年，我国的总装杌容量将达到1 0 亿千瓦，核电装 机容量将达到4 0 0 0 万千瓦( 目前投运的机组容量只有不到9 0 0 万千瓦) ，发电量将占 总发电量的6 。在2 0 3 5 年左右使核电占总发电量的比例达到目前世界1 6 的平均水 平，核电装机容量超过1 5 亿千瓦。由此，不难看出我国未来核电发展速度是多么迅 猛，我国核电的发展前景是多么阔。 近年来计算机技术、通信和网络技术的迅猛发展，这些技术在新的高压和超高压 变电站、网控楼中广泛应用，这些变电所、网控楼的综合自动化水平已达到_ 个比较 高的水平。 然而目前，国内核电站( n p p ：n u c l e a r p o w e r p l a n t ) 网控楼( g c r ：g r i d c o n t r o lr o o m ) 的监控模式大部分为传统的模式，即通过监视控制屏来实现对电气系统的监视，并使 用控制开关、按钮实现电气设备的操作。这种通过人工抄表、记录、人工操作为主的 传统的监控系统维护工作量大、设备可靠性差，对提高核电站运行管理水平和自动化 水平是非常不利的，与我国核电发展的现状和趋势也是极不相称的，与当前网控楼综 合自动化技术的发展也是很协调的。因而，为了进一步提高核电站的自动化水平和管 理水平，适应核电工业的飞速发展的需要，在核电站网控楼中采用微机监控系统 ( s c a d a ：s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c c e s s ) 已势在必行。 武汉大学工程硕士学位论文 l 。2 变电站微机监控系统国内外现状 由于酬控搂就是发电厂变电站的控制室，它与变电站的设备和技术大致雷同，而 目前的核电站网控搂的控制对象主要为5 0 0 k v 和2 2 0 k v 变电站，因而本节重点介绍 5 0 0 k v 变电站微机监控系统的现状。 国外将微处理器应用到电力系统中，大致可以分为四种情况： 1 第一种：只把微处理机应用于变电站的测量和信号系统，主要用来改善人用的 信息转换器的性能。例如，我国七十年代末期引进的5 0 0 k v 平武工程中的三个5 0 0 k v 变电站，装设的d s 8 a p 型微处理机构成的事件记录器，就属于这一种。d s 8 一a p 是 出i n t e r 8 0 8 0 型微处理机构成的。它能够把变电站各回路的电流、电压、功率、温 度等模拟量，以及断路器、隔离开关、继电保护、自动装置的出口继电器节点等开关 量状态的信息，随时存入微处理机的存储器中。在事故或需要时能按事件发生的顺序， 以人便于接受的信息形式在屏幕上显示出来，或通过打印以文字形式打印出来，提供 给人关于系统和设备情况的准确信息。这种装置实际上是一种监测装置( 不具备控制 功能) ，其功能的实质主要有以下四条： 1 ) 把原来分散的，利用指针机械位置改变来反映模拟量变化的方式，改变成为集 中的，用数字直接显示被测量的大小，这就有效提高了人的视觉接受信息的准确性。 2 ) 把原来分散的，用信号灯、光字牌或继电器调配来显示的信息，改变成为集中 的，打印在纸上的文字信息。使信息内容直观准确。 3 ) 以人所不能达到的分辨率( 分辨率为5 m s ) ，把事故时动作的各种开关量。其 按动作顺序打印出来，同时提供事故时各种设备动作状况信息，供人来分析和事故处 理用。 4 ) 改变了值班人员的监视方式。发生事故时，由原来对大面积控制屏的监视，改 变为仅仅对c r t 屏幕的监视，使监视面大为缩小。 在监控系统中，有了这套事件记录器，在正常运行时，值班人员可以根据需要准 确、及时地获取关于变电所运行状况的各种信息：在事故时，事件记录器会自动记下 变电所各电气量和非电气量的大小，以及各开关量的动作情况，并以文字形式打印出 来，为值班人员准确地处理事故提供可靠的依据。因而也就提高了变电所监控系统工 作的可靠性。日本在七十年代初期，5 0 0 k v 变电所中装设的，有电子计算机组成的数 据记录器，也属于这一种。 武汉大学工程硕士学位论文 2 第二种，在变电所装设了具有监视和控制功能的计算机以辅助工作。例如，几 本九州电力公司在l + 】央、北九州、西九州等5 0 0 k v 变电所都装设了以计算机为辅的监 视控制系统，即c a s c ( c o m p u t e r a i d e ds u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) 系统。该系统具有监视、 操作、防止误操作、记录、接线方式修改等功能。在信息的传输上采用了通讯电缆和 光缆并用的方式。在整个监视系统中仍然是以人为主的。 3 第三种，在变电所装设了作为监视控制核心的计算机系统，即c b s c ( c o m p u t e r b a s e ds u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) 系统。其主要特点是： 1 1 在c r t 上通过光笔进行人机对话，实现操作控制和系统的修改； 2 ) 在信息传输上采用了双回路的电缆，以实现信息的高质量和高可靠性的传输； 3 1 在5 0 0 k v 和2 2 0 k v 开关站的单元控制室设置计算机的终端装置，用来实现模 拟量和开关量信息的采集和变换。主机装在变电所的控制室，以主机和终端联系的方 式，代替过去在所内装设近距离远动装置来传输信息的方式； 4 1 为提高可靠性，采用双总线结构，总线和设备的总线接口都是双份的，一些重 要的设备也都有冗余或备份。 采用c b s c 系统，简化了装置，使监控装置的体积比原来缩小了1 3 ，1 9 8 2 年 在日本投入运行的南九州变电所就装设了这种监控系统。c b s c 具有下列功能： 1 1 监视功能 对各开关设备状态变化的监视，其中包括：各线路、母线、气体绝缘设备的状态 变化监视，实时的操作，事故分析等，将其送到系统盘上的c r t 进行显示。平时检 查时继电保护的动作状态，向打印机及c r t 输出。 对各种被测量的监视：对被测量做单位变换，对上下限进行蠊视、偏差监视，发 生异常时向打印机及c r t 输出； 维护管理：积累有关变电设备的运行情况资料，如动作次数、事故、故障情况、 检修情况等，以次作为维护管理的依据，根据需要可向打印机、c r t 输出动作次数、 运行时间、事故和故障次数、检修周期等。 2 ) 操作功能 对设备的操作控制：每天在c r t 屏幕上显示出断路器、隔离开关、控制回路切 换开关等开关设备的单线接线图，并可在c r t 上操作控制。 实现自动控制或编制操作顺序：能自动或半自动地实现按操作顺序进行系统日常 武汉大学工程硕士学位论文 操作，以及事故后的恢复操作。通过内c r t 上对话的方式，编制操作顺序表； 3 ) 防止误操作功能 模拟系统操作，能构成模拟系统，对照操作顺序进行模拟操作，并在c r t 屏幕 上进行操作练习。 对操作闭锁的指示：能在c r t 画面上作出作业时的操作闭锁指示、接地线的安 装指示，现场作业时的防止误操作指示等。 4 1 已录功能 对设备的动作，事故的发生进行分析，将事故发生的时刻，设备名称，事故主要 原因，事故前后工作潮流等内容向打印机和c r t 输出。将过去的动作，事故记录， 按每次事故的主要原因分类汇编，向打印机输出。还有制表功能。 5 ) 修改功能 随着变电所的扩建和设备的更换，讨算机内存储的原始数据进行修改，并进行修 改后的校验。 6 1 与上级调度联系的自动化。 能实现向调度部门自动报告功能，可以接受调度的指示。 4 第四种，变电所的全部信息处理都由继电保护、自动装置以及由计算机组成的 监控系统承担。变电所不再设经常性值班人员。计算机按照程序、随时输入的各种数 据以及调度中心发来的指令，进行逻辑判断，发出操作指令，来实现对变电所的正常 运行控制和处理各种预想事故的处理。在每次操作之后都将操作结果通过远动装置送 到调度中心变电所。人的作用只是定期到变电所进行常规的设备维修、计算机软件的 修改以及非预想事故的处理。这种由计算机控制的无人值班变电所在美国和西欧工业 发达国家如法国、瑞典的电力系统中已经投入运行。 目前，在我国的电力系统中，变电站现有自动化水平不高，少人或无人值班只是 在少数新建变电站得以实现，而且使用的大都是国外进口的硬件设备。造成这种状况 的原因，主要是由于我国对变电站综合自动化系统( 除包含微机监控系统外，还包括微 机保护等子系统) 的研究8 0 年代末期才起步。我国对变电站自动化的研究与开发的 内容归纳起来主要有两个方面：其一是低压变电所采用综合自动化系统，以便更好地 实现无人值班，达到减人增效的目的；其二是对高压大型枢纽变电所的建设和设计来 说，采用新的控制方式，解决各专业在技术上保持相对独立造成的相互脱节、重复投 武汉大学工程硕士学位论文 资，甚至影响运行可靠性的弊端。国内的综合自动化系统在1 1 0 k v 和3 5 k v 的变电所 中，目前已投入相当数量。但我国电力系统综合自动化水平仍和国外有一定的差距， 这势必影响到未来的经济发展。所以，近年来为了提高电力系统自动化水平，国内科 学家和学者都作出了很大努力，而计算机智能监控作为变电站综合系统的核心已成为 新的研究课题，也成为未来研究和发展的趋势。 目前，我国5 0 0 k v 变电所的监控系统大致有以下几种方式： 1 ) 传统的监控系统或第一种方式的蟾控系统。二十世纪九十年代前投运的监控系 统大多数采用这种方式，即控制功能由传统的控制模式实现，测量和信号功能由微处 理机来实现。 2 ) 第三种方式的微机监控系统。二十世纪九十年代后投运的监控系统，绝大部分 都属于这种类型，所采用的绝大部分都是国外的设备或技术。 5 0 0 k v 网控楼监控系统的发展要比变电站滞后一些，但2 0 0 0 年后投用的监控系 统，也大都使用的是第三种方式的微机监控系统。 我国核电站网控楼的控制对象都是5 0 0 k v 和2 2 0 k v 变电设备，由于其对可靠性 的特殊要求，其监控系统的发展明显滞后于5 0 0 k v 变电所和火电厂网控楼的技术水平 ( 约l o 年或更长时间) 。目前多数使用的是传统的监控系统，少部分使用的是第一种 的微机监控系统( 控制仍采用传统的监控模式) ，只有一家采用的是第三种的微机监 控系统。 1 3 论文的研究内容 1 ，1 研究对象、意义和目的 本文将以核电站网控楼的微机监控系统为研究对象。 本研究的目的主要有以下三方面。 1 ) 改变核电站的网控楼传统的监控方式。 前面已经提到，目前核电站网控楼的监控模式大都为传统的监控模式，而目前变 电站的电压等级越来越高，参数越来越多，对报表、测量精度、故障分析等的要求也 越来越高，因而依靠人力和传统的监控模式已不能满足生产运行的需要。采用微机监 控系统则可以满足这些需求，对于测量系统，它可以大幅度提高测量系统的精度，测 量的结果还可以数字化显示和制表打印；对于信号系统，他可以将变电站发生的各种 - 武汉大学工程硕士学位论文 事故和不正常状态，微机监控系统可以迅速反映，详细记录，而且显示直观，精视方 便，处理快捷。所以说微机监控系统可以为传统的监控系统和人力所不能为。 2 ) 提高核电站网控楼监控系统运行的可靠性 对网控楼微机监控系统的可靠性，尤其是抗干扰进行了输八研究，提出了很多切 实可行的抗干扰措施，为提高核电站网控楼监控系统可靠性提供方法和依据。 3 ) 利用计算机代替人去做某些日常的重复性工作。 对于核电站，在网摔楼中采用微机监控系统，其主要目的不是去代替人和减少人， 而是为了更有效地去发挥人的作用。在刚控楼采用微机监控系统以后，运行人员的负 担可以大为减轻，可以抽出更多的人力和时问去从事那些带有分析性的、预测性的工 作，而这些工作由设备来实现不仅需要复杂的硬件和软件系统，花费比较高的代价， 而且效果和智能也不及人力。在微机监控系统中利1 j 人力和计算机的结合，可以达到 最佳的技术经济效果，最终也可达到提高核电站运行可靠性的目的。 4 ) 通过核电站网控楼微机监控系统的应用，可以提高核电站的自动化水平。 网控楼采用微机监控系统后，它可以核电站的生产信息管理系统通信，还可以促 进机组实现生产过程监控系统微机化，从而实现整个电站的计算机管理，提高核电站 的自动化管理水平。 本人参与了江苏某核电站网控楼微机监控系统的设计、制造、安装、调试、维修 管理工作，在管理和具体工作中有许多体会和建议。在本研究中，对该系统的长处做 了很多的吸收，对该系统存在的不足或需要提高的地方，尤其是抗干扰问题，功能设 计举行了较为深入的研究、改进和提高。相信本文对运行核电站网控楼传统监控系统 的改造，对新建核电站网控楼监控系统的选择、设计、安装、调试，乃至核电站整个 生产系统微机监控系统的实现进程都有着重要指导意义，对其它变电站和网控楼微机 监控系统的建设和改造也有重要参考价值。 1 3 2 主要研究内容 1 ) 论证核电站网控楼应用微机监控系统的必要性和可行性； 2 ) 对网控楼微机监控系统的可靠性，尤其是抗干扰措施进行研究： 3 ) 提出使用核电站网控楼微机监控系统的总体构想和基本要求； 4 ) 研究核电站网控楼微机监控系统应实现的功能和基本要求； 武汉大学工程硕士学位论文 5 1 研究和设计适用于核电站网控楼的微机监控系统的硬件系统，并对某些重要设 各提出选择建议； 6 ) 研究和设计适用于核电站网控楼的微机监控系统的软件结构，并对某些重要软 件平台提出选择建议： 7 1 对全文进行总结，提出该系统下一步发展和改进方向。 1 i _ 3 核电站网控楼采用微机监控系统后应达到的效果 如果核电站网控楼采用微机监控系统后，将达到以一卜效果： 核电站的变电站的自动化水平将达到一个新的高度，一方面它可以促进核电站的 自动化进程，为变电站乃至整个核电站的自动化向更高水平发展打下良好的基础； 将运行人员从重复性的劳动中解脱出来，可以抽出更多的时间去提高技术水平， 从事那些带预测性的、创造性的工作： 大幅度提高变电站的运行可靠性。一方面系统可靠性、处理能力大大增强；另一 方面事故时，值班人员不必四处奔跑去查看各种信号，通过计算机系统的屏幕和打印 机的输出就可以准确了解事故情况，并能获得有关处理事故的指导，从而大大提高核 电站运行的可靠性。 武汉大学5 - 程硕士学位论文 2核电站网控楼采用微机监控系统的必要性和可行性 本章将从传统监控系统与微机监控系统对比的角度来论证核屯站网控楼采用微 机监控系统的必要性，还将从核电站变电站电气设备的客观条件和微机监控系统使用 的成熟性角度来论证核电站网控楼采用微机监控系统的可行性。 2 1传统监控系统工作模式及其存在的问题 ， 变电所( 站) 等供电装置依靠控制、测量与信号回路( 监控系统) 的各种监视仪 表、继电器、灯光和音响信号以及其他信息，按一次设备不同运行状态时的仪表、信 号显示和控制回路工作原理( 例如故障时断路器控制回路的不对应原理) ，进行一次 设备和断路器的自动控制或手动控制，必要时依靠自动装置进行调节( 例如自动电压 调节) ，以保证变电所( 站) 内的供电装置的正常运行和故障状态下事故处理的有序 执行。 2 1 ，l 变电所( 站) 信息流与传统监控系统工作模式 变电所( 站) 的二次接线系统与设备，由监控系统、继电保护和远动( r t u ) 、 自动装置组成，它对一次系统各种信息进行采集、处理，并执行对系统设备的监视、 控制、保护和调节，可统称为信息处理系统和功能实现环节，用以保证一次系统及其 设备的安全、可靠运行。 图2 i 变电所工5 的两类信息流及信息流程示意图 武汉大学工程硕士学位论文 变电所( 站) 的信息流程，可用图2 1 的局部主回路设备及其与信息处理系统之间 的连接关系表示，现说明如下：一次系统及其主设各的信息通过互感器( p t 、c t 等) 变换后，如图中细线所示，一部分变成人的感官所能接收的信息形式( 如发光、音响和 仪表指示1 。人对信息作出分析、判断和作出处理决定后，由手动执行控制和其他操作， 从而构成一个闭合信息系统。此信息系统信息流中的信息形式是模拟量连续电信号， 值班人员必须在控制室和配电装置场( 室) 经常掌握、监视信息变化情况。经互感器 变换后的另一部分信息传送至继电保护和自动装置，并经它们处理后，作用于一次系 统设备进行自动控制( 分、合闸) 或调节，构成图2 1 中粗线所示的另一闭合信息系 统与信息流。这部分信息也需要有值班人员监视控制。两部分信息流系统及其工作形 成了以人为核心的传统监视系统工作模式 变电所( 站) 的信息来源于两方面，一方面通过各种互感器( p t 、c t ) 和传感器( 温 度、压力等) 获得一次系统和一次设备信息，例如一次系统各回路电流、电压、功率、 频率与设备工作状态等，统称为一次信息；另一方面为变换、处理和传输一次信息所 需的二次设备，其本身的工作又产生或附加了新的信息，例如电流与电压二次回路的 完好性、继电保护与自动装置的动作状态、操作电源工作情况等等，这些信息成为二 次信息。一次信息和二次信息构成变电所( 站) 的全部信息源。 信息源和信息处理装置之间通过信息传输设备连接起来，来自信息源的信息还要 通过信息变换器变换成信息处理装置所能接受的形式。现有变电所f 站) 的监控系统中， 如图2 1 所示的第一个闭合系统，信息由控制电缆传输，信息的处理者是值班人员。 对于载有连续模拟量电流的信息，需通过信息变换器把人不能接受的这类处理的这类 信息，变换成人的感官所能接受的形式。例如各类仪表、声光信号装置等都是为人的 感官而设置的信息变换器。值班人员通过感官接收到变电所( 站) 的各种信息后，按运 行规程和信息的特征由大脑作出处理决定，由人或自动装置发出各种控制、调节指令 与事故处理操作命令，控制一次设备的开关与设备。 2 1 2 传统监控系统存在的问题和缺陷 如前所述，传统监控系统中主要由值班人员来处理信息，信息变换设备是传统的 电磁仪表和灯光音响设备装置，信息传输通道增加了电流的控制电缆，因而这种监控 系统不可避免地存在以下主要问题和缺陷： 武汉大学- 7 7 - 程硕士学位论文 1 1 信息变换、检测依靠传统电磁测量仪表、继电器等模拟式设备，测量误差火、 设备数量多；不能记录事件发生的准确时间和顺序；仪表、继电器体积大、功耗大， 使控制室面积增大，值班人员不易观察、监视。 2 1 依靠人的感官和判断。人的感官对信息接受不可避免的会存在误差，感官与大 脑对信息的灵敏度、分辨能力和处理能力有一定限度，对于变化快的信息，以及当单 位时间内处理的信息很多，超过人的能力限度而来不及反应时，将出现丢失信息或出 现差错的情况，二者都将导致错误判断和处理，此外人的文化水平、- 1 j 作经验和素质、 思想情绪变化等因素，对信息处理的准确性和有效性也有重大影响。 3 ) 信息传输方面，由于采用强电流信号直接传输，虽然抗干扰性能好，但其主要 缺点是通道中功耗大，导致误差增大，传输距离有限( 小于1 k m ) ，且用作通道的控 制电缆截面大，数量多，造成一次性投资增高。 4 ) 二次系统无自检，存储记忆，若元件及仪表继电器本身损坏，不能及时发现、 诊断和报警( 对继电器保护危害更大) ，影响了系统可靠性。 5 ) 二次系统中二次设备间信息交换和通信性能差，信息资源无法综合利用、不能 进行画面显示和集中监控，监控系统的整体功能不能发挥和体现。 6 0 年代出现的晶体管型弱电化集控装置，虽然对传统监控、保护自动化系统的某 些方面有些改进，如采用弱电流、低电压信息流，选线控制方法，使控制室体积减小， 并简化二次回路，但未从根本上突破原来的工作模式和传统方法。因此，从根本上解 决以上缺陷，其根本方法采用微机监控系统，实现变电站综合自动化。 2 2 微机监控系统及其特点 2 2 1 微机监控与综合自动化发展简史 2 0 世纪7 0 年代以来，由于微处理机的出现，而且其功能和处理速度不断提高， 价格大幅度下降，可靠性大大提高；又由于大规模集成发展和应用日益普遍，使微机 保护与变电站计算机监控系统的研究发展在国内外引起广泛重视，首先是微机保护很 快达到实用化。1 9 7 7 年日本三菱公司研制的以微处理机为基础的分布式控制、监测 与保护多微机系统投入试运行，取代了全部传统的模拟式二次设备，首次实现了变电 站全数字化，并取得有益的技术经济效果，该系统于1 9 8 0 年交付商业使用。美、德、 瑞典等国在同时期内也相继进行了变也站综合自动化( 或稔控制保护一体化) 的大量 武汉失拳工程硕士学位论文 研究和试验，至2 0 世纪8 0 年代中期微机变电站自动化技术逐步趋于实用，且功能f | 益完善。 我国于2 0 世纪8 0 年代中期首先在一些城市变电站和电力系统超高压变电站、发 电厂引进国内外技术国内研制的简单监控装置，耿得成功运行经验。这期间微机保护 和微机远动的研制和推广应用有熏大进展，网络技术和人工智能开始应用于变电站自 动化与电网调度自动化，从而推动了变电站微机监控和变电所( 站) 综合自动化技术的 发展。进入9 0 年代以后，我国变电所( 站) 综合自动化系统已在电力系统成批运行，并 取得显示显著效益，现正在向无人值班综合自动化的目标发展。 2 2 2 微机监控与综合自动化系统基本构成及其特点 在变电所( 站) 中应用分布式多微机系统完成一次设备监视、控制，中央信号、微 机采集、时间顺序记录和屏幕显示、打印功能，一般称为微机监控系统。在微机蠊控 系统基础上介入微机保护和自动装置( 包含远动r t u ) ，承担整个变电所( 站) 信息处 理、与上层调度通信以及全部监控、中央信号和保护自动化的功能，这种体化综合 系统称为变电所( 站) 综合自动化系统。微机变电所( 站) 综合自动化的基本构成如图2 2 所示。它是一个分层分布式的多微机系统，通过总线将其连接成个整体。各种数据 采集、设备控制、线路与变压嚣等的微机保护和监控出第一层( 设备层) 微处理机完 成，并通过总线与第二层( 问隔层) 监控主机通信。第二层为变电所( 站) 监控主机， 它与人机联系联系设备( 站控层) 主要执行全变电所( 站) 的控制、监视和中央信号、 时间记录等功能，并通过通信处理机和调制解调器与远动调度中心通信。图中的虚线 部分为微机远动调度中心。 微机综合自动化系统的主要部分是分层分布式设置的各种微型机和处理器。设备 层微处理机分别用来完成一次电气系统各种模拟量( 电气与非电气) 、开关量和脉冲量 ( 如脉冲电度表) 的采集和转换( 如模数转换等) ；按预期目标或参量执行一次设备 的控制或调节；按电器主设备和线路的实施电量参数变化判定是否发生故障，并执行 继电保护和自动重合闸功能；此外他们分别与监控主机通信，并具有自诊断功能。第 二层变电所( 站) 监控主机是综合自动化系统的关键，它依靠各设备层微机送来的借助于 人机联系设备、软件技术和较强的数据存储能力与数据库，实现全所( 站) 监控、中 央信号、智能自动化、通信、自检与自诊断、画面显示、事件记录与报表等全部功能。 武汉大学j - 程硕士学位论文 模 拟 量 人机联系 醴各 远力调度 中心 图2 2 变电所站综合自动化系统构成框图 此外，为了完成上述综合自动化的各种功能，设备层各功能模块( 子系统) 还必须 设有从一次系统取得各种信息的输入、输出和各种接口，以及它们与上层主机的通信 接e l 。人机联系设备包括打印机、c r t 、液晶显示器、数码管、键盘、鼠标等，是为 了输入有关指令、执行人机对话、输出记录或显示有关信息、信号以供运行人员监视 和分析运行状况。 与传统监控、中央信号系统不同，微机综合自动化系统中的信息流是数字量和丌 关量，数字量由数据采集模块采集的模拟量输入信号经离散化和模数转换后得到，开 关量即二进制( 1 或o ) 信号，断路器的分与合、电度脉冲量等都属于开关量信号， 它们由开关量采集模块采集并经电平变换、隔离处理而得到，这些实时采集的信息由 设备层模块通过数据总线不断送到监控主机，其中微机保护的动作信息一般只发开关 量信号。它们被存放在监控主机的存储器或数据库中，并隔一定周期将原存放的数据 不断刷新。盟控主机根据这些数据按预定程序实时计算、分析、处理和逻辑判断，确 定一次系统是否正常运行或发生故障跳闸，一旦某一次设备或线路发生故障跳闸，则 发出中断申请，监控主机c p u 通过人机联系设备给出相应报警信号和显示，打印故 障信号和故障时间等。此外，还可根据全部信息生成变电所( 站1 主接线图实时运行状 态的c r t 画面，供值班人员监视使用，以及编制各种电量报表和事件顺序分析记录 等。同时多故障发生的时间分辨率小于5 m s 。 武汉大学工程硕士学位论文 监控主机还可通过通信处理机与调制解调器和微机远动调度中心交换信息，并协 同综合自动化系统执行变电所( 站) 远动终端( r t u ) 的全部遥控、遥测、遥调和远方 崎视与数据采集功能。 2 3 变电所( 站) 微机监控系统的优点 近几年，在国内外发电厂和变电所( 站) ，微机监控系统的应用已相当普遍。微 机监控系统之所以会引起这么多大公司署u 厂家的注意，其根本原因在于发电厂和变电 所( 站) 采用微机监控系统后，能够全面提高发电厂和变电所( 站) 的技术水平，提 高运行的可靠性和管理水平，降低运行维护成本，提高经济效益。 微机监控系统变电所( 站) 微机监控的主要优点可概括如下： 1 ) 减少控制室面积。采用微机监控系统后，原有的控制开关、按钮、显示仪表、 报警光字牌绝大部分可以取消，控制屏和辅助屏可以相应取消，减少了控制屏占地面 积，使整个控制室布置更加协调美观。 2 ) 减少运行、检修人员工作量。变电站技术参数的提高、逻辑关系的复杂、监视 参数的增多，依靠人力根据常规仪表和控制开关去进行操作、处理突发事件已力不从 心。而通过微机监控系统，运行人员就可以轻易实现这一点。另一方面，由于微机监 控系统硬件的标准化、模块化、高度集成化，使设备数量大幅减少，维修也变得更简 单、更容易，大大降低了检修人员的工作量； 3 1 安全性、可靠性大幅提高。微机监控系统中的重要设备都可采用冗余配置，而 且装置本身具有自诊断功能，使系统的可靠性有了很大提高。原来的强电控制，改为 鼠标、键盘操作，使运行和检修人员的人身安全也有了更高的保障； 4 ) 增强了变电站的整体功能。在当地信息资源( 模拟量、开关量、脉冲量等) 综 合利用减少并优化保护硬件设备的前提下，综合自动化系统除了取代传统的全部二次 设备和功能外，还提供了人机对话、操作界面j | c 视、智能化运行管理、r t u 等多种功 能，并增强了变电站的整体功能。 5 ) 可实现信息的交换和共享。网控楼采用微机监控系统后，可通过数据总线和机 组的计算机系统，和核电站的生产信息系统，和微机继电保护设备等进行数据交换和 共享： 6 ) 对设备监视、故障状态采用屏幕监视，值班人员面对大屏幕显示器进行变电站 1 3 武汉大学工程硕士学位论文 所有设备的全面监视与操作。例如用c r t 画面实时显示主接线运行状况，由c r t 光 标操作来完成断路器的分合闸操作，采用c r t 画面闪烁、文字提示和报警音响取代 常规中央信号盘、控制盘的有关设备等，为值班人员提供了方便直观的监控条件。 7 1 运行管理智能化、自动化。智能化自动化功能一方面便于现场顺序记录、自动 报表、自动录波、事故判别与处理等诸多方面，进一步的智能化则可构造各种专家系 统，执行故障诊断、防误操作、报警信号处理等专门任务。这些为无人值班创造良好 条件。 8 ) 综合自动化系统工作的可靠性、精确性大大提高，依靠各种抗干扰和数字滤波 技术、冗余技术，特别是在线自检、白诊断技术，能即时发现系统各组成单元硬件或 软件的故障并向主控端报警，使可靠性比常规二次线系统大为提高，数字量控制和保 护动作值计算严格按数学模型进行，较大的提高了控制、保护、检测的精确度。 9 ) 节约控制电缆。采用微机监控系统后，设备之间的联络采用数据总线或光缆连 接，改变了原来用大量电缆进行相互连接的状况，节省电缆，减少了安装工作量。 虽然微机监控系统具有上述一系列优点，但微机监控系统也有其本身较难克服的 缺点，即变电所( 站) 的工作环境，如温度、湿度、污染和震动、特别是强电磁干扰对 微机监控系统有着多方面的影响和不利因素，因而必须采取有效的抗干扰、抗湿度变 化、抗震等措施。其中电磁干扰问题是一个比较复杂而且较难克服的问题，这个问题 能否圆满解决直接关系到微机监控系统的可靠性，关系到核电站网控楼能否使用微机 监控系统，这个问题将在第三章展开讨论。 综上所述，变电所( 站) 采用微机监控系统后，与常规监控系统相比，设备上虽 然增加了投资，但因取消了控制屏、控制开关、仪表，相应缩小了控制室面积，节省 了电缆，提高了工作效率，减少了运行检修人员数量，总体的性能价格比有所提高。 所以，核电站的网控楼采用微机监控系统是完全必要的 2 4 核电站网控楼采用微机监控系统的可行性 随着科学技术的发展，核电站的变电站中普遍采用g i s ( 全封闭s f 6 组合电器) 等技术先进的高压设备，各种电气元件的可控性、可靠性大大提高，开关台不上、跳 不丌、机构卡涩等故障想象极少出现。而且目前微机技术及控制技术日臻完善，各种 微机化的电气测量装置、控制装置、保护设备、自动化装置日益成熟，这些都为核电 1 4 武汉大学工程硕士学位论文 站网控楼采用微机监控装置奠定了基础。 核电站刚控楼的控制对象主要为升压站的断路器、隔离刀闸、接地刀闸等设备， 其监视对象主要为电压、电流等模拟量，以及丌关( 刀闸) 位置等模拟量，正常运行 时这些电气设备操作次数很少，监视的对象很简单，但是监视控制的数量很大。核电 站网控楼同其他电气控制系统一样，其操作对象是继电器、接触器和电磁线圈等设备。 对每一个控制对象而言，用强电一对一的控制方式和微机监控方式并无本质的区别， 仅是将原来的硬接线进行逻辑软件化了。而且，微机监控分辨率高，更能满足电气系 统速度快，出现事故波及面广的特殊情况。 鉴于下列原因： 1 ) 微机监控系统的虽然存在抗干扰能力差尤其是抗电磁干扰能力差的缺点，但这 个问题是可以克服和解决的( 第三章将对此展开讨论) ，其可靠性依然是可以达到很 高水平的。 2 ) 核电站变电所一次设备成熟，具备使用微机监控系统的客观条件； 3 ) 微机监控系统由于其高可靠性、软硬件组态的灵活性以及良好的人机界面，成 为n p p ( 核电站) g c r 监控系统的理想选择； 4 ) 微机监控系统在国内许多变电所和火力发电厂的网控搂已有许多成功使用的 经验。 5 ) 在国内的核电站中，岭澳核电站与秦山核电站一期的网控搂已实现对变电站电 气量的微机监测，田湾核电站的网控楼已采用微机监控系统对变电站进行监视控制并 运行良好。 我认为，核电站使用微机网络监控系统是完全可行的。 1 5 - 武汉大学3 - 程硕士学位论文 3 网控楼微机监控系统的可靠性问题研究 微机监控系统的可靠性是指内部各子系统在规定的条件下、规定的时间内完成规 定工作的能力。 前面的章节曾对微机监控系统的优点进行了详尽描述，和任何事物一样，微机监 控系统也存在它的缺点，这个缺点就是网控楼的工作环境，如温度、湿度、污染和震 动、特别是强电磁干扰会对微机监控系统系统带来多方面的影响和不利因素，因而必 须采取有效的抗干扰、抗湿度变化、抗震等措施。 因为抗湿度变化、抗震等问题都比较容易解决，本文对此不予讨论。而抗干扰问 题尤其是抗电磁干扰问题是提高微机监控系统可靠性首要解决的问题，因而本章将对 微机监控系统的抗电磁干扰问题进行重点讨论。 以下的章节将从电磁于扰产生的原因及后果、硬件抗于扰的措施、软件抗干扰措 施等方面讨论提高网控楼微机监控系统的抗干扰问题，同时对也会对提高系统可靠性 的其它措施迸行介绍。其中接地措施、隔离措施、屏蔽措施中的许多内容是作者多年 现场经验和教训的总结和体会。 3 1网控楼电磁干扰生产的原因和后果 变电站内高压电气设备的操作，低压电流、直流回路内电气设备的操作，雷电引 起的浪涌电压、电气设备周围的静电场、电磁波辐射和输电线路或设备短路故障所产 生的瞬变过程等都会产生电磁干扰。这些电磁干扰进入网控楼内的微机监控系统或其 它电子设备，就可能引起微机监控系统不正常，甚至损坏某些部件或元器件。 电磁干扰有三个要素，即干扰源、传播途径、和电磁敏感设备。 仔细分析电磁于扰产生的原因，是采取正确抗干扰措旄的前决条件。 3 1 1 电磁干扰源 目前与电力系统有关的电磁干扰源有外部干扰和内部干扰两方面。 外部干扰是指与网控楼微机监控系统的结构无关，而幽使用条件和外部环境因素 决定的干扰。对网控楼微机监控系统来说，外部干扰主要有交、真流回路开关操作、 1 6 武汉大学工程硕士学位论文 扰动性负荷、短路故障、大气过电压( 雷电) 、静电、无线电干扰等。 内部干扰是由微机监控系统结构、元件布置和生产工艺等决定，主要有杂散电感、 电容引起的不同信号感应、寄生振荡和尖峰信号引起的干扰、长线路引起的波的反射、 多点接地引起的电位差干扰等。 从物理学分析角度来看，外部干扰和内部干扰具有相同的物理性质，其消除和抑 制方法没有本质的区别。就装置而言，它们的不同之处在于，内部干扰源可以在设计 和调试中尽量减少，而对外部干扰源则只能通过合理的措旖将它拒之门外。总的来说， 由于干扰源多种多样，应有针对性地采取不同的方法来克服。 外部干扰的表现可概括为三种： ( 1 ) 电站设备的交流电源和直流电源受低频振动扰动； ( 2 ) 传导瞬变和高频干扰； ( 3 ) 场的干扰。 1 网控楼及变电站设备的电源扰动 变电站设备的交流电源和直流电源受